Embed Size (px)
Citation preview
Optik özellikler
Optik özellikler Elektromanyetik radyasyonun tabiatı ve katı
maddelerle etkileşiminin temel prensipleri
Metalik ve metalik olmayan malzemelerin emme,
yansıma, kırılma, geçirme kabiliyetleri çerçevesinde
optik davranışları
malzemelerin neden karakteristik renkleri vardır?
neden bazı malzemeler saydam, diğerleri opaktır?
Uygulamalar Luminesans
foto iletkenlik
ışık amplifikasyonu (lazerler)
komünikasyonda fiberoptik
Elektromanyetik radyasyon
● Işık elektromanyetik bir radyasyondur.
● ısı, radar, radyo dalgaları, x-ışınları, -ışınları da
elektro-manyetik radyasyon türleridir.
● Radyasyonun elektromanyetik spektrumu dalga
boyu 10-12 m (<angstrom) olan ışınlarından x-
ışınlarına, ultraviyole, görünür, kızıl ötesi ve dalga
boyu 105 m (>km) olan radyo dalgalarına kadar
geniş bir aralıkta (1017)değişir.
Elektromanyetik dalgalar enerjiyi boşlukta ilerleyen
elektrik ve manyetik alanlarda saklayarak iletirler.
manyetik alan
elektrik alanı
Işık = elektromanyetik dalga
elektrik alanı manyetik alan
Elektromanyetik radyasyon
• 1905 Einstein – fotoelektrik
etkisine bakarak ışığın dalga ve
parçacık özelliklerini
ilişkilendirdi.
• Planck – ilk quantum hipotezini
öne sürerek kara madde “black
body” radyasyon problemini
çözdü: “ışık foton adı verilen
enerji kümelerinden oluşur.”
E = h
Işık: Einstein ve Planck
● Işık hem parçacık hem de dalga özellikleri taşır.
● Işıma minimum enerji biriminin katları şeklinde
gerçekleşir. Bu minimum enerji birimine foton
denir.
● Işık enerjisi dağılmaz ve parçacık gibi ilerler.
Işık: Einstein ve Planck
Elektromanyetik radyasyonun hızı (c), frekansı ()
ve dalga boyuna () bağlıdır:
: frekans (Hz)
: dalgaboyu
Hız: dalganın boyu x birim zamanda tekrar sayısı
Çoğu zaman elektromanyetik radyasyonu quantum-
mekanik perspektiften değerlendirmek daha
kolaydır.
Radyasyon, foton adını verdiğimiz enerji paketleri
veya grupları gibi düşünülebilir.
Elektromanyetik radyasyon
Bir fotonun enerjisi, E:
h: Planck sabiti: 6.63 x 10-34 J.s
c: ışık hızı: 3.0 x 108 m/s
foton enerjisi radyasyonun frekansı ile doğru, dalga
boyu ile ters orantılıdır.
Elektromanyetik radyasyon
Optik olayları atomik
seviyede ele aldığımızda
ışığın parçacıklardan
oluştuğu kabulü işleri
kolaylaştırır.
elektromanyetik radyasyon
Bütün elektromanyetik radyasyon vakumu ayni
hızda geçer: Bu hız ışık hızıdır (c): 3 x 108 m/s.
Işık hızı (c) vakumun elektriksel geçirgenliğine (0)
ve manyetik geçirgenliğine (0) bağlıdır.
Dolayısı ile elektromanyetik sabit c ile bu elektriksel
ve manyetik sabitler arasında bir ilişki vardır.
elektromanyetik radyasyon ● Görünür ışık, spektrumun oldukça dar bir
bölgesinde yer alır. Dalga boyları 0.4 m ile
0.7 m arasında değişir.
● Algılanan renk dalga boyu tarafından belirlenir;
örneğin, 0.4 m dalga boyundaki radyasyon mor
renkli iken, 0.5 ve 0.65 m dalga boylarında yeşil
ve kırmızı renkler algılanır.
● Beyaz ışık tüm renklerin karışımıdır. İnsan gözünün
hassas olduğu tek radyasyon görünür
radyasyondur.
Kısa
dalgaboyları
Uzun
dalgaboyları
Art
an f
oto
n e
nerj
isi
(eV
)
renk & Enerji
Menekşe ~ 3.17 eV
mavi ~ 2.73 eV
yeşil ~ 2.52 eV
sarı ~ 2.15 eV
portakal ~ 2.08 eV
kırmızı ~ 1.62 eV
elektromanyetik spektrum
İnsan gözü tarafından fark edilebilen ışığın dalga boyu λ~400nm-700nm aralığındadır.
Bu ışığa görünür ışık denir.
İnsan gözü farklı bir çok renkteki ışığı ayırt edebilir.
Her renk farklı bir verimlilikle algılanır.
3.1eV 1.8eV
İnsan gözünün spektral hassasiyeti
veri
mli
lik
, 10
0%
400nm 600nm 700nm 500nm
Görünür ışık
Görünür spektrum
dalgaboyu, (nm)
Ef (eV) 3.1 1.8
4
1
3b
2
3a
Gelen
ışık
Yarı saydam malzeme 1 : Kırılma
2 : geçirme
3a : yansıma
3b : içerde yansıma
4 : saçılma
Dağılma:
farklı renkler farklı
eğilebilir!
Işık ve malzemeler arasındaki etkileşim
gelen ışık ya yansıtılır, ya emilir ya da geçirilir:
Işığın katılarla etkileşimi
gelen: I0
emilir: IA
geçen: IT
yansıma: IR
Io IT IA IR
Katı maddenin yüzeyine düşen ışık demetinin şiddeti
(I0) geçen (IT), emilen (IA) ve yansıyan (IR) demetlerin
şiddetlerinin toplamına eşit olmalıdır:
W/m2
gelen ışığın, geçen (T), emilen (A) ve yansıtılan (R)
oranları toplamı “1” e eşit olmalıdır.
T + A + R = 1 T: geçirgenlik (IT/I0)
A: emilebilirlik (IA/I0)
R: yansıtabilirlik (IR/I0)
Çünkü, gelen ışık ya ortam tarafından emilir (A) ya
da ortam tarafından yansıtılır (R).
Kalan ışık (1-A+R= T) ortamdan karşıya geçer.
Işığın katılarla etkileşimi
Işığın katılarla etkileşimi
● Gelen ışığı az bir emilme ve yansıtma ile büyük
ölçüde geçirebilen malzemelere saydam denir
ve bu malzemelerden karşı tarafı görebiliriz.
● Işığın içinde dağıldığı ve dağınık bir şekilde
geçtiği malzemelere yarı saydam malzeme
denir. Bu malzemelerden diğer taraftaki
maddeleri ayırt etmek, net bir şekilde görmek
güçtür.
● Işığın geçmesine izin vermeyen malzemelere
opak malzeme denir.
Işığın katılarla etkileşimi
● Metaller (iletkenler) görünür spektrumun
tamamında opaktır. Diğer bir ifadeyle tüm
ışık radyasyonu ya emilir ya da yansıtılır.
● oysa elektriksel olarak yalıtkan malzemeler
saydam hale getirilebilirler.
● Bazı yarı iletken malzemeler saydam
bazıları ise opaktır.
Işığın katılarla etkileşimi
Atomik ve elektronik etkileşimler
Katı maddelerin içinde gerçekleşen optik
olaylar atomların, iyonların ve elektronların
elektromanyetik radyasyon ile etkileşimi ile
ilgilidir.
Bu etkileşimlerden en önemli ikisi,
elektronik polarizasyon ve
elektron enerji geçişleridir.
Elektronik polarizasyon ● Elektromanyetik dalganın bir bileşeni hızla
titreşen-değişen elektrik alanıdır.
● Görünür frekans aralıklarında elektrik alanı
her bir atomun çevresindeki elektron bulutu
ile etkileşir.
● Bu etkileşim ya elektronik polarizasyona yol
açar ya da elektron bulutunun yerini elektrik
alan bileşenin yönü her değiştiğinde
değiştirir.
elektronik polarizasyon Işık dalgasının elektrik alan bileşeni bir
atomun etrafındaki elektron bulutunu
çekirdeğe göre bir miktar eğer.
Elektronik polarizasyonun 2 sonucu
emilme ve
ışığın kırılmasıdır.
+ –
● Atomlar için enerji durumları belli-
tanımlanmış olduğundan, enerji seviyeleri
arasında sadece belirli büyüklükte enerji
farkları (Es) vardır.
● Sadece mümkün olan Es değerlerine tekabül
eden frekansların fotonları elektron geçişleri
tarafından emilebilirler.
● Her bir elektron hareketlenmesinde (transfer)
olayında bir fotonun bütün enerjisi emilir.
elektron geçişleri
● Elektromanyetik radyasyonun emilmesi ve
salınması bir enerji seviyesinden diğerine
elektron geçişleri içerir.
● E2 enerji seviyesindeki bir elektron bir foton
enerji alarak daha yüksek boş bir enerji
seviyesine (E4) hareketlenebilir.
● Elektronun tecrübe ettiği enerji değişimi
elektromanyetik radyasyonun frekansına
bağlıdır:
elektron geçişleri
Fotonun enerjisi (hv42) iki enerji seviyesi arasındaki
enerji farkına (E4-E2) eşit olmalıdır.
42 frekansta foton
Elektron
hareketlenmesi
E42= E4-E2 = h42
Enerj
i bir elektron bir
enerji
seviyesinden
diğerine
hareketlenirken
foton emilmesi
elektron geçişleri
● Seviye atlamış bir elektron bu yüksek enerji
seviyesinde sonsuza kadar kalamaz, kısa süre sonra
ilk enerji konumuna geri döner ve dönerken bir
elektromanyetik radyasyon açığa çıkar.
● elektron geçişlerinde enerjinin korunması
gereklidir.
● Katı maddelerin elektromanyetik radyasyonun
“emilme” ve “salınma” sı ile ilgili optik özellikleri
malzemelerin elektron bant yapıları ve elektron
geçişlerinin prensipleri çerçevesinde gerçekleşir.
elektron geçişleri
Metallerin optik özellikleri ● Valens enerji bandı elektronlarla sadece kısmi
olarak doludur.
● Görünür aralık içindeki frekanslarda gelen
radyasyon, e-ları Fermi enerjisi üstündeki boş
enerji seviyelerine hareketlendirdiği için metaller
opaktır. Gelen radyasyon madde tarafından emilir.
● Emilmenin tamamı çok ince, genellikle 0.1
mikrondan daha ince bir yüzey tabakasında
gerçekleşir ; bu nedenle ancak 0.1 mikrondan daha
ince metalik filmler görünür ışığı geçirebilirler.
elektron transferi ile
foton emilmesi
metallerin çok sayıda enerji seviyesi vardır.
yüzeye yakın elektronlar görünür ışığı emer.
emilme e- enerjisi
Planck sabiti (6.63 x 10-34 J/s)
ışığın
frekansı
Dolu enerji seviyeleri
Boş enerji seviyeleri
E = h kadar
enerji gerekir!
(foton enerjisi)
I o
h
emilme ● Elektron geçişlerine izin veren çeşitli boş
elektron seviyeleri nedeniyle görünür ışığın tüm
frekansları metaller tarafından emilir.
● Hatta, metaller frekans spektrumunun alt ucunda
yer alan elektromanyetik radyasyonun tamamına,
radyo dalgalarından ultraviyole radyasyonun
yarısına kadar, opaktır.
● Metaller yüksek frekanstaki yüksek enerjili x- ve
-ışını radyasyonunu geçirir, yani x- ve -ışınlarına
saydamdır.
Metallerin elektron yapısı sayesinde ışığın
hemen tüm frekansları yüzeyden 0.1 m
derinlikte emilir.
Bundan daha ince olan metal filmleri ışığı
geçirir.
Bazı malzemeler için geçirim derinlikleri (I/I0
=1/e): su: 32 cm
cam: 29 cm
grafit: 0.6 µm
altın: 0.15µm
emilme
● yansıtabilirlik = IR/I0 = 0.90 ile 0.95 arasındadır.
● yansıtılan ışık gelen ile ayni frekanstadır.
● metaller yansıtıcı-parlaktır!
yansıtma elektron geri dönüşleri foton açığa çıkarır.
Malzeme
yüzeyinden
salınan foton
e- enerjisi
Dolu konumlar
Boş konumlar
E
IR ‘iletken’ elektron
Metallerin yüzeyindeki atomlarda hareketlenen e-
lar eski konumlarına geri dönerken foton verirler.
Emilen radyasyonun büyük bir kısmı yüzeyden ayni
dalga boyundaki ışık olarak yayılır ve yansıtılan ışık
olarak görünür.
Yansıtılan fotonlar frekans ve sayı yönünden gelen
ışınınki ile, e-ların orijinal konumlarına dönerken
açığa çıkan enerji gelen enerji ile yaklaşık aynıdır.
Dolayısı ile metaller ışığı çok iyi yansıtırlar;
bir çok metal için bu %95 seviyesinde..
yansıtma
● Metaller opak ve yüksek ölçüde yansıtıcı
olduklarından, algılanan renk yansıtılan radyasyonun
dalga boyu (dağılımı) tarafından belirlenir.
● Beyaz ışığa maruz kaldığında parlak gümüşi
görünümü metalin görünür spektrumun tamamında
büyük ölçüde yansıtıcı olduğuna işaret eder. (Al, Ag)
● Kısa dalga boyuna sahip hafif fotonların bir kısım
enerjisi görünür ışık olarak yansıtılmadığı için Bakır
kızıl portakal ve altın sarı renkte görünür.
Metaller hem opak hem de yansıtıcıdır.
Kalan enerji ısı olarak kaybolur.
yansıtma
Altın ve alüminyum için yansıtma spektrumu:
mavi kırmızı
altın mavi ve yeşil
renkleri absorbe
eder. çok miktarda
kırmızı dalga
boyları yansıtır.
Alüminyumun
spektrumu oldukça
düzdür. Gelen
ışığın hemen
hemen tamamını
yansıtırlar.
yansıtma
yansı
tma
dalgaboyu m
Non-metallerin optik özellikleri
Elektron enerji bant yapıları nedeniyle,
metalik olmayan malzemeler görünür ışığa
saydam olabilirler.
Bu nedenle,
yansıtma
emilmeye
ilave olarak
kırılma ve
geçirme
metaller Metalik
olmayan
malzemeler
c19cof01
beyaz ışık bir
cam prizmadan
geçerken bileşen
renklerine ayrılır.
Işık cama girer ve çıkarken farklı
miktarlarda sapar ve renkler ayrılır.
kırılma
Kırılma
kırılma ● Saydam malzemelerin içine giren ışığın
hızında bir azalma olur. Buna bağlı olarak ışık
arayüzeyde eğilir. Bu olaya kırılma denir.
● Bir malzemenin kırılma endeksi (n) ışığın
vakumdaki hızı (c) ile malzeme içindeki
hızının () oranına eşittir.
● n (kırılma endeksi: eğilmenin derecesi) ışığın
dalga boyuna bağlıdır.
malzemede vakumda
ışık hızı ışık hızı
dielektrik sabiti 0 = vakumda
manyetik geçirgenlik 0 = vakumda
r : bağıl dielektrik (yalıtkanlık) sabiti
r : bağıl manyetik geçirgenlik
Kırılma endeksi
bir çok madde sadece hafif manyetik olduğu için,
(r 1)
saydam malzemelerde kırılma endeksi (n) ile
bağıl dielektrik sabiti (r) arasında bir ilişki vardır.
Kırılma endeksi
● Kırılma olayı yüksek frekanslardaki görünür
ışık için elektronik polarizasyonla ilişkilidir.
● Bu sayede dielektrik sabitinin elektronik
bileşeni kırılma endeksi ile hesaplanabilir.
● geçen ışık elektron bulutlarını deformasyona
uğratır.
Kırılma endeksi
+
ışık geçerken!
+
● Bir madde içinde elektromanyetik radyasyonun
gecikmesi elektronik polarizasyondan kaynaklandığı
için maddenin atomları veya iyonlarının büyüklüğü
bu etkinin şiddetini yakından etkiler.
● Genel olarak atom/iyon büyüdükçe, elektronik
polarizasyon ve kırılma endeksi artar.
● Tipik bir soda-kireç camının kırılma endeksi
yaklaşık 1.5’tur.
● Cama iri Ba ve Pb iyonları (BaO ve PbO şeklinde)
ilave edildiğinde kırılma endeksi ciddi şekilde
artar.
Kırılma endeksi
● Örneğin yüksek miktarda Pb içeren (90 ağ%
PbO) camın kırılma endeksi yaklaşık 2.1’dir.
● Kübik kristal yapılı seramikler ve camlar
için, kırılma endeksi izotropiktir.
● Kübik olmayan kristaller ise, anizotropik
bir n değerine sahiptir.
● Kırılma endeksi iyon yoğunluğu en yüksek
olan yönlerde en yüksektir.
Kırılma endeksi
Kırılma-özet ışık bir malzemeden geçerken vakumda olduğundan
daha yavaştır.
kırılma endeksi, n =
malzemeye büyük ağır iyonların (Pb gibi) ilave edilmesi ışığın
hızını düşürür. bu durumda ışık bükülebilir.
kat edilen mesafe arttıkça geçen ışığın şiddeti
azalır; kalın parçalar daha az saydamdır.
Işığın vakumdaki hızı Işığın malzemedeki hızı
Material
Lead glass
Silica glass
Soda-lime glass
Quartz
Plexiglas
Polypropylene
n
2.10
1.46
1.51
1.55
1.49
1.49
Kırılma endeksi Bazı Saydam malzemelerin kırılma endeksleri
Kırılma endeksi malzeme
seramikler
polimerler
yansıtma Işık farklı kırılma endekslerine sahip bir maddeden
diğerine geçerken, her 2 madde de saydam olsa bile
ışığın bir kısmı bu 2 madde arasındaki ara yüzeyde
dağılır.
Yansıtabilirlik (R) gelen ışığın ara yüzeyde yansıtılan
oranını temsil eder.
I0 ve IR gelen ve yansıtılan ışığın şiddetidir.
yansıtma Gelen ışık arayüzeye dik ise,
n1 ve n2 iki ortamın kırılma endeksleri
Işık vakumdan veya havadan bir katıya (s) geçiyor
ise, havanın kırılma
endeksi «1» olduğu için
Havadan elmasa giren ışık için;
n elmas: 2.41 17.0
141.2
141.22
R
yansıtma
sin
sin
n
n
n’(düşük)
n (yüksek)
1
c
'
1
açıkritik
açısı kırılma
açısı geliş
c
i
i
(TIR) yansıan tamise
0 :
ci
ic
Gelen ışık ara yüzeye dik değil ise, R geliş açısına
bağlıdır.
yansıtma
Kritik açı c
Yüksek endeksli
malzeme
Işık kaynağı
>c: geliş
açısı kritik
açıdan
büyükse
tüm ışık
yansıtılır.
Daha düşük
kırılma endeksine
sahip (n2<n1) bir
malzemeye gelen
ışığın tamamı
yansıtılır.
Yüzeye dik
gelen ışın
eğilmez.
Eğilmediği
halde
kısmen
yansıma
olur.
Dik gelmeyen ışık için
yansıma ve geçme
oranları Fresnel
denklemleri ile
hesaplanır.
n2
yansıtma ● katının kırılma endeksi büyüdükçe yansıma artar.
● Tipik silika camları için, yansıtabilirlik yaklaşık 0.5
(%50) kadardır.
● Bir katının kırılma endeksi gelen ışığın dalga
boyuna bağlı olduğu gibi, yansıtabilirlik de dalga
boyu ile değişir.
● Lens ve diğer optik enstrümanların yansıma
kayıpları, yansıtıcı yüzeyleri MgF2 gibi dielektrik
bir malzemeden çok ince bir film ile kaplanarak en
aza indirilebilir.
emilme ● Metalik olmayan malzemeler görünür ışığa opak
veya saydam olabilirler.
● Saydam iseler, çoğunlukla renkli görünürler.
● Işık bu malzemelerde geçirgenlik davranışını da
etkileyen 2 temel mekanizma ile emilir.
● Bunlardan biri elektronik polarizasyondur.
● Elektronik polarizasyonla emilme sadece madde
atomlarının gevşeme frekansları yakınlarındaki
düşük frekanslarda önemlidir.
● Diğer mekanizma valens bandı ile iletken bandı
arasındaki elektron geçişlerini içerir. Bu mekanizma
malzemenin elektron enerjisi bant yapısına bağlıdır.
Egap h = Ephoton
Elektron geçişini başlatacak minimum foton enerjisi
EC - EV = Egap = h
İletkenlik bandı, EC
Valens bandı, EV
Serbest elektronlar
boşluklar
h > Egap ise
elektronlar
iletkenlik
bandına
hareketlene-
bilirler.
emilme
emilme ● Bir foton ışık emilmesi valens bandından bir
elektronun bant aralığını aşıp iletim bandında bir
boş pozisyona hareketlenmesi ile gerçekleşebilir.
● Böylece iletim bandında serbest bir elektron ve
valens bandında bir boşluk yaratılmış olur.
● Bu sıçrama için gerekli enerji E emilen foton
frekansı ile ilişkilidir.
● foton enerjisi bant enerji aralığından (Eg) daha
büyük ise elektron geçişi ve emilme olabilir.
Bant aralığında empürite seviyesi var ise, bant aralık
enerjisinden daha düşük enerjiye sahip fotonlar, bu ara
konumlardaki elektronları iletken bandına veya boşlukları
valens bandına hareketlendirerek emilebilir.
örnek: renkli elmaslar
emilme İletim
bandı
valens
bandı
Emilen
foton
emilme emilme dalga boyu üzerinden aşağıdaki gibi ifade
edilir:
Görünür ışık için minimum dalga boyu 0.4m dir.
c = 3x108 m/s ve h = 4.13x10-15 eV s olduğu için
görünür ışığın emilmesi ile ilgili maksimum bant
aralığı enerjisi, Eg(max)
h > Egap ise emilme ile elektron hareketlenmesi
Egap < 1.8 eV, ise tam emilme; renk siyah (Si, GaAs)
Egap > 3.1 eV, ise emilme yok; renksiz (elmas)
1.8 eV < Egap < 3.1 eV ise, kısmi emilme; malzeme renkli
Gelen foton
enerjisi hn
Elektron enerjisi
Dolu enerji seviyeleri
Boş enerji seviyeleri
E gap
I o
Görünür spektrum
Mavi ışık: h=3.1 eV
Kırmızı ışık: h=1.7 eV
emilme
mEiçin
mE
hc
cg
g
c
13.1eV1.1Si
85.1)J/eV10x60.1)(eV67.0(
)m/s10 x 3)(sJ10x62.6(19
834
Emilme-kısmi
Eğer donör ve alıcı seviyeleri de varsa bu emilme
olayı için diğer frekanslara da şans tanır.
Eg = 0.67 eV
örnek: Ge tarafından emilen en küçük dalga boyu
nedir?
yarı iletken veya yalıtkan malzemelerde bant
aralığında yeterli sayıda empürite seviyesi
yoksa, bant aralığında uygun enerji
seviyelerinde quantum konumları olmadığı için,
Eg’den daha düşük enerjili fotonlar emilemez.
Yalıtkanların ve geniş bant aralıklı yarı
iletkenlerin saydam, Si ve GaAs gibi dar bant
aralıklı yarı iletkenlerin ise opak olmaları bu
yüzdendir.
emilme
emilme
Bant aralığı enerjisi 3.1 eV’dan daha büyük (görünür
spektrum sınırı) metalik olmayan malzemeler
tarafından görünür ışık emilemez, malzemeden geçer!
Çok saf olduklarında bu malzemeler, saydam veya
renksiz görüneceklerdir.
(min) = = = 0.4m h c
Eg(max)
(4.13 x 10-15 eV.s)(3x108 m/s)
3.1 eV
emilme Diğer yandan, görünür ışık için (max) 0.7 m
Görünür ışığın emilebilmesi için, Eg(min),
1.8 eV’dan daha düşük bant aralığına sahip
yarı iletken malzemelerde görünür ışığın
tamamı valens banttan iletken bandına
elektron sıçrayışları ile emilir.
Bant aralığı enerjisi 1.8 ile 3.1 eV arasında
olan malzemelerde görünür ışığın sadece
bir kısmı malzeme tarafından emilir.
opak
renkli
emilme ● Bant aralığı enerjisi (Eg) değerine bağlı olarak
belirli bir dalga boyunda her metalik olmayan
malzeme opak olur.
● Örneğin, bant aralığı enerjisi 5.6 eV olan elmas
0.22 m’dan daha küçük dalga boyuna sahip
tüm radyasyona opaktır.
● Geniş bant aralığına sahip yalıtkan katılar için
ışık radyasyonu ile etkileşim valens-iletken
bant e- geçişlerinden farklı mekanizmalarla da
olabilir.
emilme Elmas: bant aralığı enerjisi 5.6 eV
5.6 eV = 0.22m
İleti
m
bandı
vale
ns
bandı
Efoton= 6 eV; <0.22m
Elektron geçişi mümkün:
emilme olur opak
5.6 eV = 0.22m
İleti
m
bandı
vale
ns
bandı
Efoton = 5 eV; >0.22m
Elektron geçişi olmaz:
emilme yok! saydam
emilme Eğer impürite ve elektriksel olarak aktif hatalar var
ise, bant aralığı içinde
e- seviyeleri (donör ve
alıcı seviyeleri) oluşabilir.
Bu seviyeler bant
aralığında merkeze yakın
konumlanırlar. Belirli
dalga boyundaki Işık
radyasyonu bu seviyeler
arasındaki e- geçişleri
sonucunda emilirler.
İleti
m b
andı
vale
ns
bandı
Bant
ara
lığı
Empürite
seviyesi
Foton emilme
emilme-salınım bant aralığındaki empürite seviyeleri üzerinden çok
adımlı elektron geçişleri olabilir.
İletim bandındaki elektron önce empürite seviyesine
sonra empürite
seviyesinden
valens bandına
düşebilir.
Bu durumda 2
aşamalı salınım olur.
İlki fonon (ısı)
İkinci: foton (ışık)
salınımı
emilme Emilen radyasyonun şiddeti (intensity) ortamın
karakterine ve kat edilen mesafeye bağlıdır.
Emilmeden geçen radyasyonun şiddeti (IT) mesafe (x)
ile sürekli azalır:
I0: gelen radyasyonun şiddeti
: emilme katsayısı (mm-1) (malzeme karakteristik
değeri ve gelen radyasyonun dalga boyu ile değişir.)
x: ortamın derinliği (mm)
Yüksek değerine sahip malzemeler yüksek emme
kapasitesi sahiptir.
Emilme-problem 200 mm kalınlığındaki camdan yansıtılmadan
geçen ışığın oranı 0.98 dir. Bu malzemenin emilme
katsayısını hesaplayın.
Yukarıdaki denklemdeki değerini bulmalıyız.
Her 2 tarafın logaritmasını alırsak,
ln (IT/I0) = x = 1/x . ln (IT/I0)
= 1/200 mm ln (0.98) = 1.01 x 10-4 mm-1
geçirme Emme, yansıma ve geçirme olayları saydam bir
katıdan ışığın geçmesi olayına uygulanabilir.
l kalınlığında, emme katsayısına sahip bir
numunenin ön yüzüne gelen I0 şiddetindeki bir
ışığın numunenin arka yüzeyine geçen şiddeti:
R: yansıma oranı
Burada arka ve ön yüzler dışındaki ortamın ayni
olduğu varsayılmıştır.
geçirme
ışığın saydam bir ortamdan geçişi: ön ve arka
yüzlerde yansıma ve ortam içinde emilme var!
Gelen ışık
yansıyan
ışık
IR=I0R
geçen ışık
IT=I0(1-R)2e-l
geçirme Saydam bir malzemeden ışığın geçme oranı emme ve
yansıma olaylarında yaşanan kayıplara bağlıdır.
Yansıtabilirlik (R) emilebilirlik (A) ve geçirebilirlik (T)
toplamı “1” dir.
R, A, ve T ayni zamanda ışığın dalga boyuna bağlıdır.
Yeşil cam için spektrumun görünür bölgesinde;
0.4 m dalga boyuna sahip ışık için, geçen, emilen ve
yansıtılan ışık oraları sırası ile 0.9, 0.05 ve 0.05 dir.
Fakat 0.55 m dalga boyu için, bu oranlar yaklaşık
0.50, 0.48, and 0.02’dir.
0.4 m dalga boyu ile yeşil camdan geçen, emilen ve
yansıyan ışığın oranlarının değişimi.
%50
%48
%2
yansıyan
emilen
Geçen ve
görünen
dalgaboyu (m)
Radyasy
on e
nerj
isi ora
nı
geçirme
geçirme ● Saydam malzemeler malzeme tarafından emilen
belirli dalga boyu aralıkları nedeniyle renkli
görünürler.
● Ortaya çıkan renk geçmesine izin verilen dalga
boylarının bileşimi sonucudur.
● Emilme görünür dalga boylarının tamamı için
homojen ise malzeme bize renksiz görünür.
● Örnek olarak yüksek saflıktaki inorganik camları
ve yüksek saflıkta tek kristal elmas ve safiri
gösterebiliriz.
geçirme ● Genellikle, emilme olayları e- hareketlenmesi ile
gerçekleşir. Mesela, görünür ışık enerjisi kadar (1.8
- 3.1 eV) bant aralığına sahip yarı iletkenlerde.
● Dolayısı ile görünür ışığın Eg’den daha yüksek
enerjiye sahip kısmı valens bandı-iletim bandı
elektron geçişleri ile tercihli olarak emilir.
● Emilen radyasyonun bir kısmı e-lar düşük enerjili
ilk konumlarına dönerken tekrar geri verilir.
● Bu ışımanın emilme olayı ile ayni frekansta
gerçekleşmesi zorunludur.
● Dolayısı ile malzemenin rengi hem geçen hem de
geri verilen ışınların frekans dağılımına bağlıdır.
● Yalıtkan seramiklerde belirli empüriteler enerji
bant aralığında e- seviyeleri oluştururlar.
● empürite atomlarının bu enerji seviyelerinden e-
düşmesi ile enerji aralığından daha düşük enerjiye
sahip fotonlar salınabilir.
● Malzemenin rengi yine geçen ışığın içinde bulunan
dalgaboyu dağılımının fonksiyonudur.
geçirme
Al-oksit örneklerinda yapısal özelliklerle optik
geçirme özelliklerinde değişim:
Tek kristal (safir): saydam
Yoğun-gözeneksiz çok kristal: yarı saydam
%5 kadar gözenek
içeren çok kristal:
opak
Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık
malzeme rengi
malzemeden geçen ve,
elektron geçişleri ile malzeme tarafından verilen
Işıkların frekanslarının toplamı tarafından belirlenir.
örnek: Cadmiyum Sulfit (CdS) Egap = 2.4 eV,
görünür ışığın yüksek enerjili (E>2.4eV) kısmı (mavi,
menekşe) emilir: (3.1 eV >E > 2.4eV)
Görünür ışığın emilmeyen kısmı (1.8 eV<E<2.4 eV)
Kırmızı/sarı/portakal malzemeden geçer ve
malzemeye rengini verir.
Metalik olmayan malzemelerde renk
● Yüksek saflıkta tek kristal alüminyum oksit veya
safir renksizdir.
● Parlak kırmızı renkteki yakut %0.5 ile 2 kadar Cr2O3
katılmış safirdir.
● Cr3+ iyonları Al2O3 kristal yapısında Al3+ iyonlarının
yerini alırken safirin geniş bant aralığında
empürite seviyeleri oluşturur.
● Işık radyasyonu valens-iletim bandı elektron
geçişleri tarafından emilirken, emilen radyasyonun
bir kısmı da, bu empürite seviyelerine ve bu
seviyelerden elektron hareketlenmeleri ile belirli
dalga boylarında tekrar salınırlar.
Metalik olmayan malzemelerde renk
● Safir için görünür spektrumda dalga boyuna göre
geçirim aşağı yukarı sabit olup bu malzemenin
renksizliğini açıklar.
● Oysa yakut için şiddetli emilme pikleri
görülmektedir.
● Bunlardan biri mavi-menekşe bölgesinde (yaklaşık
0.4 m’da) diğeri sarı-yeşil ışık bölgesindedir (0.6
m’da).
● Emilmeyen yani geçen ışık tekrar salınan ışıkla
karıştığında yakutun derin kırmızı rengi ortaya
çıkar.
Metalik olmayan malzemelerde renk
Rubi: tek kristal Al2O3
Mavi, sarı/yeşil emilir.
Kırmızı geçer.
Rubi kırmızı görünür.
Safir: Al2O3 + at%0.5 -2 Cr2O3
Cr2O3 bant aralığını değiştirir.
Egap > 3.1eV : Safir renksiz:
Metalik olmayan malzemelerde renk
İnorganik camlar cam henüz sıvı halde iken içine
geçiş elementleri veya nadir toprak iyonları ilave
edilerek renklendirilir.
İyonlar ve cama verdikleri renklerden örnekler:
Cu2+: mavi-yeşil
Co2+: mavi-menekşe
Cr3+: yeşil
Mn2+: sarı
Mn3+: mor
Bu renkli camlar ayni zamanda seramik objelerde sır
ve dekoratif kaplama olarak da kullanılır.
Metalik olmayan malzemelerde renk
silisyum neden siyah ve parlaktır?
Silis neden parlaktır?
Siliste iletken bandında çok sayıda elektron olduğu için ciddi
miktarda foton absorpsiyonu olur. Bu elektronlar yerleşik
değildir ve fotonlarda saçılıma neden olurlar.
Silis neden siyahtır?
Silisyumun enerji aralığı: Egap =1.2eV
Görünür ışık foton enerjisi: Evis~1.8–3.1eV
Evis > Egap
Bu durumda görünür ışığın tamamı silis
tarafından absorbe edilir ve Silis siyah
görünür.
● GaP’un enerji aralığı: Egap = 2.26 eV
● Bu enerjiye denk gelen foton dalga boyu: = 549
nm.
● Bu durumda enerjisi (E = h > 2.26 eV) 2.26
eV’dan yüksek olan yeşil, mavi ve menekşe renkli
fotonlar absorbe olurlar.
● enerjisi (E = h < 2.26 eV) 2.26 eV’dan düşük olan
sarı, portakal ve kırmızı renkli fotonlar ise
geçerler.
● İnsan gözünün sarı renge hassasiyeti kırmızıya
olduğundan daha yüksektir.
● Bu nedenle GaP bize sarı-portakal renkli görünür.
GaP neden sarı renklidir?
Yarı iletkenlerin renkleri Evis= 1.8eV 3.1eV
foton enerjisi görünür ışığın enerjisinden küçük ise;
Evis>Egap Fotonlar yutulacaktır. Foton enerjisi görünür ışığın enerjisinden büyük ise;
Evis<Egap Fotonlar geçecektir. Foton enerjisi enerji aralığında (Egap) kalıyorsa,
Egap’den daha büyük enerjisi olan fotonlar
yutulacaktır.
Biz geçmesine izin verilen ışığın rengini görürüz.
Bütün renklerin geçebiliyorsa, renk beyazdır.
● Doğal olarak saydam olan yalıtkan malzemelerin
yarı saydamlık-opaklık derecesi büyük ölçüde iç
yansıtma ve geçirme karakteristiklerine bağlıdır.
● Doğal olarak saydam olan bir çok yalıtkan malzeme
iç yansıma ve iç kırılma özellikleri sayesinde yarı
saydam ve hatta opak yapılabilir.
● Geçen bir ışın demetinin yönünde sapma olur ve
çoklu saçılma olayları neticesinde «difüze»
görünür. Saçılma olayları ışın demetinin arka yüze
varmasını engelleyecek kadar çok olduğunda
opaklık ortaya çıkar.
Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık
● Bu iç saçılmaların birkaç nedeni olabilir:
● kırılma endeksi anizotropik olan Polikristal
malzemeler yarı-saydam görünür.
● Tane sınırlarında hem yansıma hem de kırılma
meydana gelir ve ışın demetinin sapmasına yol
açar.
● Bu durum farklı kristallografik yönlenmelerde
olan komşu tanelerin kırılma endekslerindeki
küçük farklılıklardan ileri gelir.
Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık
● Fazlardan birinin diğeri içinde çok ince
şekilde dağıldığı 2 fazlı malzemelerde de
ışık saçılması olur.
● İki fazın kırılma endeksleri farklı olduğunda
ışın demeti saçılması faz sınırlarında olur.
● Fark arttıkça saçılma da artar.
Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık
● Hem kristal hem de kalıntı amorf fazlar içeren
cam seramikler, kristallerin boyutları görünür
ışığın dalga boyundan küçük ve iki fazın kırılma
endeksleri çok yakın (bileşim ayarlaması ile
sağlanabilir) ise saydam görünecektir.
● İmalat sırasında bir çok seramik parça çok ince
dağılmış gözenekler içerebilir.
● Bu gözenekler ışığı etkin şekilde saçılıma
uğratırlar.
Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık
● Katkısız polimerlerde yarı saydamlığın derecesi
kristallik derecesinden etkilenir.
● Görünür ışığın bir miktar saçılması, kırılma
endeksleri farklı olduğu için, kristal ve amorf
yapılı bölgeler arasında yaşanır.
● Büyük ölçüde kristalin olan polimerlerde saçılma
şiddetlidir ve bu durum yarı saydamlığa ve hatta
bazı durumlarda opaklığa yol açar.
● Büyük ölçüde amorf olan polimerler tamamen
saydamdır.
Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık
Al-oksit örneklerinda yapısal özelliklerle optik
geçirme özelliklerinde değişim:
Tek kristal (safir): saydam
Yoğun-gözeneksiz çok kristal: yarı saydam
%5 kadar gözenek
içeren çok kristal:
opak
Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık
Cam neden saydamdır ? ● Cam çok geniş bir enerji aralığına
(Egap >> 5eV) sahip bir yalıtkandır.
● Elektronlar için bu kadar geniş bir aralığı
aşmak güçtür.
Egap >> E(visible light)
● Her renge ait fotonlar geçer ve hiçbir
emilme-alıkonma olmaz.
● cam bu yüzden saydamdır.
renkler Bileşimdeki küçük değişiklikler görünüşte ciddi
farklılıklara yol açar.
Örneğin yüksek saflıkta Al2O3 tek kristali renksizdir.
0.5 - 2.0% kadar Cr2O3 ilave edersek malzeme
kırmızı görünür.
Cr Al atomlarının yerine geçer ve safirin bant
aralığında empürite konumları yaratır.
Bu konumlar yeşil ve mavi dalgaboyunda şiddetli
absorbsiyona neden olarak sadece kırmızı
dalgaboyunun geçmesine izin verir.
Yarı şeffaflık Işık malzeme girdikten sonra bile malzeme içinde
saçılmaya bağlı olarak tekrar yansımaya
uğrayabilir.
Geçen ışık bile malzeme içindeki saçılma
sonucunda şiddetini-bilgilerini kaybedebilir.
Işık dağılır ve bir görüntü bulanık hale gelebilir.
Aşırı durumlarda malzeme aşırı iç saçılma
sonucunda opak olabilir.
Saçılma değişik nedenlerden kaynaklanabilir:
Çok kristalli malzemelerde tane sınırları
Seramiklerde ince gözenekler
Malzemelerdeki farklı fazlar
Optik özelliklerin uygulamaları
● Lüminesans – ışıldama
● Floresans
● Fosforesans
● Fotolüminesans
● Katodo lüminesans
● Elektro-floresans (LED ve OLED)
● Foto iletkenlik
● Lazerler
● Optik fiberler
aynalar
ışıldama ışıldama – bir malzemenin ışık salması
Malzeme bir frekansta ışık emer, daha düşük
farklı bir frekansta ışığı geri verir.
Alıcı seviyesi
Valens bandı
İletim bandı
empürite seviyeleri Eg
Eemission
Ara empürite seviyeleri ne kadar kararlıdır?
• Çok kararlı ise (uzun ömürlü = >10-8
s) = fosforesans
• Daha az kararlı ise (kısa ömürlü) (<10-8 s) = floresans
örnek: koyu renkli oyuncakların aydınlıkta parlaması: fosforesans
• Ex: floresans ampüller
ışıldama
electron transition occurs
Energy of electron
filled states
unfilled states
Egapincident
radiation emitted
light
fosforesans ve floresans
Gelen
radyasyon Salınan ışık
Elektron geçişi Ters elektron geçişi
Örnek: floresan ampüller Beyaz ışık cam
Kaplama
Eu katkılı -
alümina
ışıldama ● Bir elektron daha yüksek bir enerji seviyesine
hareketlendiğinde enerji emilir; bu elektron eski
konumuna döndüğünde görünür ışık salınır.
Bu olaya ışıldama (lüminesans) denir.
● Emilen enerji ultraviyole ışık gibi yüksek enerjili
elektromanyetik radyasyon olarak temin edilir ve
valens-iletim bandı arasında elektron geçişlerine
yol açar.
● Diğer enerji kaynakları yüksek enerjili elektronlar,
ısı, mekanik veya kimyasal enerji olabilir.
● Işıldama olayı emilme ve salınma arasında geçen
zamana göre sınıflandırılır.
● Eğer ışıldama 1 saniyeden çok daha kısa süreler
içinde gerçekleşirse, floresans; daha uzun
süreler geçmiş ise fosforesans adı verilir.
● Bu özellikleri gösteren malzemeler, bazı sülfitler,
oksitler, tungstatlar ve birkaç organik maddedir.
● Saf maddeler bu özelliklere sahip değildir.
● Bu özelliğin ortaya çıkması için kasıtlı olarak
empürite ilavesi yapmak gerekir.
ışıldama
Işıldama ● Işıldamanın birkaç ticari uygulaması vardır.
● Floresans lambalar, içinde özel olarak hazırlanmış tungstat
ve silikatlar bulunan cam bir muhafazadan ibarettir.
● ultraviole ışık cam tüp içindeki civa parıldama deşarjı ile
temin edilir ve kaplamanın ışıldamasına yol açar ve
böylece beyaz ışık salar.
● Televizyon ekranındaki görüntüler ışıldamanın ürünüdür.
● Ekranın iç yüzü ekrandan bir elektron demeti geçtiğinde
ışıldayan bir malzeme ile kaplanır.
● X-ışınlarının belirlenmesinde de bu olaydan yararlanmak
mümkündür.
● Belirli fosforlar başka türlü görünür olmayan bir radyasyon
demetine girdiğinde görünür ışık yayarlar veya parlarlar.
Işıldama Yaygın türleri; gelen orijinal radyasyondan
farklı dalga boyunda ışık (floresan ışık)
Elektrik alanı (LED)
Elektronlar (katot ışını tüpündeki elektron
tabancası) olmasına bağlı olarak,
foto-, elektro-, ve katod-ışıma olarak
adlandırılır.
Bunların dışında kimyasal reaksiyonlara
bağlı olarak kemo-ışıma vardır!
ışıldama ayrıca fosforesans ve floresans şeklinde de
görülür
Floresans ve fosforesans spin gerektiren veya
gerektirmeyen elektron geçişleri ile ayırt edilir.
Dolayısı ile floresans spin gerekmediği için daha hızlı
bir prosestir: 10-5 – 10-6 s
fosforesans 10-4 – 101 s kadar sürer.
Enerji diyagramı aşağıdaki gibi olur:
E2
E1
E3
phosp.
phosp.
fluor.
gelen
flip
flip
fosforesans ve floresans
Enerji seviyeleri esasen enerji aralıkları ise:
floresans ile açığa çıkan ışık gelen ışıktan daha
uzun dalga boyundadır.
Enerjisi daha küçük olduğu için
fosforesan ışık floresan ışıktan tipik olarak daha
uzun dalga boyunda olduğu için
Fonon salınımı
sıçrama başına ~10-12s
floresans, ~10-5s
fosforesans ve floresans
Floresan ışıklarda, plazma UV ışık meydana getirir ve tüp iç
duvarlarındaki floresan kaplama bunu görünür ışığa
dönüştürür.
Bu ışıklar görünür titreşimdedir (60Hz)-1 > 10-5s
Garip bir biçimde, Bunu yapan malzemeler fosfor olarak
adlandırılırlar
Beyaz bir ışık elde etmek için her biri farklı dalga boyunda
ışıldayan fosforların bir karışımını kullanmak gerekir.
TV tüpleri farklı renkler elde etmek için farklı elementlerle
doplanmış malzemeleri kullanılırlar :
Cu+ ile doplanmış ZnS yeşil verir.
ZnS:Ag mavi verir.
YVO4:Eu kırmızı verir.
fosforesans ve floresans
fotolüminesans
Elektrodlar arasında oluşan ark ampül içindeki civayı daha
yüksek bir enerji seviyesine çıkarır.
Elektronlar eski konumlarına geri dönerken UV ışık verirler.
(güneşlenme lambaları).
Ampülün iç yüzeyi UV ışınlarını emen fakat görünür ışığı veren
bir malzeme (%20 F-’un Cl- ile yer değiştirdiği Ca10F2P6O24) ile
kaplanır.
Renk bu malzeme metal katyonları ile doplanarak ayarlanır:
Sb3+ mavi Mn2+ portakal-kırmızı
Hg
uv
elektrot elektrot
katodoluminesans TV cihazlarında kullanılır.
Fosforu elektron bombardımanına tut.
Fosforu böylece yüksek enerji seviyesine yükselt.
Bu elektronlar önceki konumlarına dönerken
foton verirler (görünür).
ZnS (Ag+ & Cl-) mavi
(Zn, Cd) S + (Cu++Al3+) yeşil
Y2O2S + 3% Eu kırmızı
Not: açığa çıkan ışık faz ve yön itibarı ile
rastgeledir (koheran-uyumlu değildir!)
Işık salan diyodlar
(LED) Bir p-n tip bağlantı diyoduna
yüksek şiddette düz alan
gerilimi uygulandığında
görünür ışık salınır.
Elektrik enerjisinin ışık
enerjisine dönüşmesi olayına
elektro-ışıldama denir.
Elektro-ışıldama gösteren
cihazlara da ışık-salan diyod
(LED) adı verilir.
LED
n-tip tarafından
p-tip tarafına
e- enjeksiyonu
e- + boşluk = enerji
Işık fotonu
salınması
Düz alan gerilimi bağlantının n-tipi tarafındaki e-ları
bağlantıya doğru çeker ve bu e-ların bir kısmı p-tipi
tarafına geçer.
LED ● Elementel yarı iletkenler, bant aralığı yapılarının çok
detaylı olması sebebiyle, LED’ler için uygun değildir.
● Bu amaçla GaAs, InP gibi III-V yarı iletken bileşikleri ve
bu bileşikleri içeren bazı alaşımlar kullanılır.
● Salınan radyasyonun dalga boyu (rengi) yarı iletkenin
bant aralığına bağlıdır.
● Mesela, GaAs-InP sistemi ile kırmızı, portakal ve sarı
renkler mümkündür.
● (Ga,In)N yarı iletken alaşımları kullanılarak mavi ve
yeşil LED’ler de geliştirilmiştir.
● Sonuçta, LED ler kullanılarak diğer renklerle donatılmış
çok renkli ekranların elde edilmesi mümkündür.
● Yarı iletken LED’ler için önemli uygulamalar: dijital
saatler, ışıklı saat ekranları, optik fareler, film
tarayıcıları.
● Televizyon ve DVD oynatıcıları için elektronik
uzaktan kumandalarda da infrared ışık salan LED’
ler kullanılır. Bu ışık demeti alıcıdaki detektörler
tarafından tanınan kodlanmış sinyaller gönderir.
● LED’ler ışık kaynağı olarak da kullanılmaktadır
(örnek: trafik lambaları).
● Sıradan ışığa göre çok daha verimli olup, çok az
ısınır ve çok daha uzun ömürlüdür (yanacak bir
filaman olmadığı için).
LED
Organik LED’ler (OLED) Yeni ve gelişmiş optik cihazlar yapmak için yeni
malzemeler
Organik ışıma yayan diyodlar (OLEDs)
Beyaz ışık yarı iletken kaynakları
Yeni yarı iletkenler
Malzeme bilimciler lazerlerden yararlanıyorlar
Solar hücreler
Fotoiletkenlik Yarı iletken malzemelerin iletkenliği serbest elektron
ve boşluk sayısına bağlıdır.
Fotonlarla etkileşim sonucunda ışığın emilmesi ile
ilave elektrik yük taşıyıcıları oluşabilir. İletkenliğin
bu şekilde artmasına
foto iletkenlik denir.
Dolayısı ile foto
iletken bir malzeme
aydınlatıldığında
iletkenliği artar.
örnek: fotodetektör (Kadmiyum sülfit)
Yarı iletken Gelen ışık
Işık yokken çok az akım
geçiyor! Işık gelince akım
artıyor!
Foto iletkenlik
Fotoiletkenlik ● Ortaya çıkan akımın kuvveti doğrudan gelen ışık
radyasyonunun şiddetine veya fotonların foto
iletken malzemeye vurma hızına bağlıdır.
● Görünür ışık radyasyonu fotoiletken malzemede
elektron geçişlerine neden olmalıdır.
● Işık ölçerlerde CdS yaygın olarak kullanılır.
● Güneş ışığı solar hücrelerde doğrudan elektrik
enerjisine dönüştürülebilir. Bu hücrelerde de yarı
iletkenler kullanılır.
● Bu cihazların çalışma prensibi ışık salan
diyodlarınkinin tersidir.
LASER ışığı Şu ana kadar konu edilen ışık emisyonu
(ışıma) spontanedir-kendiliğinden
Rastgele spontane ışıma elektron geçişlerinin önemli bir bölümünü ziyan eder.
Koheran olmayan ışık sapar-saçılır, yayılır! Düzenli ve bir arada tutamayız!
Bütün ışığı bir faz içinde nasıl toplar ve kuvvetlendiririz? (koheran yaparız!)
LASER ışığı Light (ışık)
Amplification by (yükseltme)
Stimulated (uyarılmış)
Emission of (ışıma)
Radiation (radyasyon)
Laser: uyarılmış radyasyon salınımı ile ışık
güçlendirme.
Lazerlerde bir dış uyarıcı ile başlatılan elektron
geçişleri ile koheran ışık yaratılır.
Laser ışığı
Uyarılmış emisyon diğer fotonların varlığı ile
cesaretlendirilmiş elektron geçişlerini ifade eder.
Bu nedenle yarı kararlı elektron konumları-enerji
seviyeleri oluşturarak, spontane ışımaya yol açan
elektron geçişlerini en aza indiririz.
Buna «population inversion» diyoruz.
Verdiğimizden daha fazla foton aldığımız için bu bir
optik yükseltme sürecidir.
Bu uyarılmış ışıma sayesinde lazer radyasyonu
uyumlu, yoğun ve kuvvetlidir.
Holografi ve benzeri uygulamalarda onu yararlı
kılan da onun bu yoğun olma özelliğidir.
lazerler
Population Inversion
Fig. 21.14, Callister 7e.
Bir lazer
malzemesinin
enerji seviyeleri:
Uyarılmış seviye
Spontane düşme
Fonon salınımı
Yarı kararlı seviye
uyarılmış
salınım
Lazer foton salınımı
Elektron
hareketlenmesi
Lazer radyasyonu elde etmek için
population inversion elde etmek,
ışımayı başlatacak sayıda foton üretmek
gerekir.
Bu koşullardan ilki, lazer maddesinde yarı kararlı
konumları xenon flaş lambasından elde edilen
elektronlarla doldurarak,
İkincisi ise, elde edilen fotonları iki ucu ayna vasfı
kazandırılmış bir yakut çubuğu içinde ileri geri
hareketlendirerek sağlanır.
yakut lazerinin dalga boyu 694.3 nm’dir.
lazerler
lazerler Lazerlerin birkaç değişik türü olmakla birlikte,
çalışma prensibi katı hal yakut lazeri üzerinden
anlatılabilir.
Yakut safire %0.05 kadar Cr+3 iyonu ilave edilerek
elde edilmiş Al2O3 (safir) tek kristalidir.
Bu iyonlar yakuta karakteristik kırmızı rengini verir.
Daha da önemlisi lazerin çalışması için gerekli olan
elektron seviyelerini temin ederler. Yakut lazeri
uçları düz, paralel olan ve iyice parlatılan çubuk
şeklindedir. Her iki uç da biri tamamen yansıtacak
diğeri ise yarı geçirgen olacak şekilde gümüşle
kaplanır.
Koheran ışıma elde etmek için iki uçtaki aynalar
arasında seyahat eden ışığın dönüşte kendisi ile
ayni fazda olması sağlanmalıdır.
Bu nedenle aynalar arasındaki uzaklık
2L = N
olmalıdır.
N sabit, lazerin dalga boyu ve L lazer maddesi
uzunluğudur.
Yarı illetken lazerleri de ayni prensibe göre
çalışır. Tek fark «population inversion» titizlikle
tasarlanmış bir bant yapısı kullanmak suretiyle
elektriksel olarak elde edilir.
lazerler
lazerler Uyarılma öncesinde Cr3+ iyonları Bazı Cr3+ iyonlarındaki elektronlar xenon
flaş ışığı ile daha yüksek enerji
seviyelerine hareketlenir.
Xenon flaş ışığının fotonları bu yüksek
enerjili ve dolayısı ile yarı kararlı
durumda olan elektronlarla etkileşerek
onların eski konumlarına dönmesini ve
ışınım oluşmasını sağlarlar.
Gümüş kaplı yüzeyden yansıyan fotonlar
yakut kristali boyunca hareket ederken
başka salınımları başlatırlar
Bir foton ilki ile ayni faz içinde olan bir
diğer foton ışınımı başlatır. = uyarılmış
Nihayet tüpün kısmen gümüş kaplanmış
ucundan Koherans ve yoğun bir ışınım
çıkar.
Kısmen Ag kaplı Ag kaplı
LASER ışığı üretimi Lazer malzemesini yüksek enerji seviyesine çıkart!
(mesela koheran olmayan bir xenon lamba ile!)
Bunun enerjisinin
azalmasına izin verirsek koherans elde edemeyiz..
Yakut lazeri ve
xenon lambası
xenon lambası
Yakut çubuk Koheran ışık
Güç kaynağı
lazerler Yakut bir xenon flaşı tarafından aydınlatılır. Bu aydınlatma
olayından önce bütün Cr3+ iyonları en düşük enerjili
konumdadırlar.
xenon lambasından gelen 0.56 m dalga boyundaki fotonlar
Cr3+ iyonlarındaki elektronları daha yüksek enerjili seviyelere
hareketlendirir.
Bu elektronlar 2 farklı yoldan eski konumlarına dönerler:
bazıları doğrudan düşerler;
Diğer elektronlar yarı kararlı bir ara seviyeye dönerler ve
burada kendiliğinden salma öncesinde 3 ms kadar kalabilirler.
Elektronik süreçler yönünden 3 ms çok uzun bir süredir ve bu
yarı kararlı konumların bir çoğunun dolu olacağı anlamına
gelir.
Yarı iletken lazerler GaAs gibi yarı iletken malzemeler de lazer olarak kullanılabilirler. Bunlar
compakt disk çalarlarda ve modern telekomünikasyon ekipmanlarında
kullanılır.
Bu yarı iletken malzemelerde bant aralığı enerjisi (Eg) ile ilgili dalga boyu
görünür ışığa denk olmalıdır.
0.4 ile 0.7 m arasında olmalıdır. Malzemeye uygulanan gerilim valens
Bandındaki elektronları harekete geçirir ve iletim bandına taşır. Bu sırada
valens bandında boşluklar oluşur.
Daha sonra hareketlenen elektronlardan bir kaçı ve boşluklar
kendiliğinden birleşir. Her bir birleşme olayında bir ışık fotonu salınır. Bu
şekilde oluşan her bir foton diğer elektron-boşluk çiftleşmelerine ve ayni
dalga boyunda olup birbirleri ile ayni fazda olan diğer fotonların
oluşmasına yol açar. Böylece monokromatik koheran bir ışık demeti
meydana gelir.
Yarı iletken lazerler Yakut lazerinde olduğu gibi, yarı iletken lazerin bir ucu
tamamen yansıtıcı karakterdedir. Bu sayede ışın demeti
tekrar malzeme içine döner ve yeni birleşmeler olur.
Lazerin diğer ucu yarı yansıtıcı karakterde olup ışının bir
kısmının kaçmasına izin verir.
Bu tip bir lazerle sabit gerilim uygulaması ile boşluk ve
hareketli elektronlar tedariği sürdükçe sürekli bir ışın demeti
elde edilir.
Yarı iletken lazerler ısı alıcı ve metal iletken arasına
yerleştirilmiş farklı bileşimde birkaç tabaka yarı iletken
malzemeden oluşur.
Tabakaların bileşimi hem hareketli elektronları hem de
boşlukları ve de lazer demetini merkezdeki GaAs tabakasında
tutacak şekilde seçilir.
Bitişme noktalarına kuvvetli
ileri gerilim uygulanınca,
Bant aralığı üzerinden
elektronlar
pompalayarak
elektron-boşluk
çiftleri yaratarak
uyarılmış durum
oluşturur.
elektron + boşluk nötr + h
Uyarılmış konum İlk konum Işık fotonu
GaAs yarı-iletken lazrinin tabakalı kesit yapısı: uyarılmış elektronlar, boşluklar, lazer
ışını bitişik n ve p-tipi GaAlAs tabakaları tarafından GaAs tabakasında tutulur.
yarı iletken lazeri
Yarı iletken lazerler (a) Hareketlendirilmiş bir
elektron bir boşlukla birleşir
ve bir foton ışık salınımı
gerçekleşir.
(b) Foton salınımı diğer bir
elektronun boşlukla
birleşmesini ve diğer bir
fotonun salınmasını sağlar.
(c) Ayni dalgaboyunda ve
birbirleri ile fazda olan bu 2
foton gümüş kaplı yüzey
tarafından yarı iletken lazer
içine yansıtılır.
d-e)Yarı iletkeni geçerken
yeni elektron-boşluk
birleşmeleri olur ve bu
süreç tekrarlandıkça
monokromatik ve
koheran lazer demeti
elde edilir.
f) Bu lazerin bir kısmı
kısmen gümüş kaplı uçtan
dışarı çıkar.
Yarı iletken lazerler
lazerler Lazerler için aralarında gaz ve cam da bulunan diğer
maddeler de kullanılır.
Lazer uygulamaları çeşitlidir. Lazer ışınları
fokuslanarak bölgesel ısıtma yapılabilir.
Bazı tıbbi operasyonlarda kesme işlerinde,
metallerin kesilmesi, kaynatılması, talaşlı
imalatında kullanılır.
Optik komünikasyon sistemlerinde ışık kaynağı
olarak yararlanılabilir
Lazer demeti çok koheran olduğu için çok hassas
mesafe ölçümlerinde kullanılabilir.
lazerler Lazerlerin karakteristik özellikleri ve uygulama alanları
LASER
Sürekli dalga (CW) lazeri Lazer radyasyonu elde etmek için CO2 veya
yttrium- aluminum-garret (YAG) gibi malzemeler de kullanılabilir.
Lazer tüpünde dalga oluşturulur.
İki uçtaki aynaların mesafesi seçilerek frekans ayarlanır.
CW lazerlerinin kullanım alanları Kaynak
Delme
Kesme: hassas ahşap oyma işleri; göz ameliyatları
Yüzey işlemleri
Yüzeyde iz-yazı oluşturma-seramiklerde
Fotolitografi-Excimer lazeri
Yoğun bir ortamda hareket eden bir ışık dalgası daha
az yoğun bir ortama çarpıyor.
Geliş açısı (i) ile refraktif endekslerin oranı ile
belirlenen c ilişkisine bağlı olarak ışık dalgası
geçebilir veya yansıtılabilir.
Total iç yansıma
Gelen ışık yansıyan ışık Total iç yansıma
i < c i > c i = c
geçen ışık
TIR’ın mekanizması ve uygulamaları
Fiber optik kablolar için ne tür malzemeler
uygundur? Kılıf düşük n malzemesi
Kritik açı c
Yüksek endeksli
malzeme
Işık kaynağı
>c: geliş
açısı kritik
açıdan
büyükse
tüm ışık
yansıtılır.
Daha düşük kırılma
endeksine sahip bir
malzemeye gelen
ışığın tamamı
yansıtılır.
Yüzeye dik
gelen ışın
eğilmez.
Eğilmediği
halde
kısmen
yansıma
olur.
Dik gelmeyen ışık için
Fresnel denklemleri ile
hesaplanabilir.Yansıma
ve geçme katsayıları
c19tf0
1
Saydam
Malzeme
kırılma
endesk
değerleri
malzeme Kırılma endeski
sera
mik
ler
Silika camı 1.458
Borosilikat camı (pyrex) 1.47
Soda camı 1.51
Kuvars (SiO2) 1.55
Yoğun optik cam 1.65
Spinel (MgAl2O4) 1.72
Periklas (MgO) 1.74
Korundum (Al2O3) 1.76
polim
erl
er politetrafloretan 1.35
Poli(metilmetakrilat) 1.49
polipropilen 1.49
polietilen 1.51
polistren 1.60
TIR’ın mekanizması ve uygulamaları
Komünikasyonda fiberoptik
Komünikasyonda optik fiberler
● Günümüzde telekomünikasyon bakır teller
yerine fiber optik üzerinden gerçekleşmektedir.
● Metalik bir telden sinyal iletimi elektronik iken
optik saydam fiberler kullanıldığında sinyal
iletimi fotoniktir; yani elektromanyetik veya
ışık radyasyonunun fotonlarını kullanır.
● Fiber optik sistemlerinin kullanımı iletimin
hızını, iletilen bilgi miktarını ve iletim
uzaklıklarını arttırırken, hata oranını
azaltmıştır.
Komünikasyonda optik fiberler ● fiberoptikte elektromanyetik etkileşim yoktur.
● Bilgi transferinde hızlanma ile fiber optik
teknolojisi telekomünikasyonda çığır açmıştır:
● Optik fiberler 1 saniyede en popüler TV dizisinin 3
bölümü kadar bilgiyi iletebilir.
● İki küçük optik fiber ayni anda 24000 telefon
görüşmesini mümkün kılar.
● 3 g optik fiberin gördüğü işi
görmek için 1 ton (106 g)
bakır gerekir.
Komünikasyonda optik fiberler
Elektronik biçimdeki bilgi (mesela bir telefon görüşmesi)
önce dijital hale getirilmelidir. Elektrik sinyali elektrik-
optik dönüştürücüsünde fotonik sinyale dönüştürülür.
Dönüştürücü monokromatik ve koheran ışık yayan yarı
iletken bir lazerdir. Dalgaboyu normal olarak
elektromanyetik spektrumun infrared bölgesinde olan 0.78
ile 1.6 m kadardır. Bu dalga boylarında emilme kayıpları
düşüktür.
şifreleme
Elektrik-
optik
dönüştürme
tekrarlayıcı
Fiberoptik kablo optik-
elektrik
dönüştürme
Şifre çözücü
Gelen
sinyal Giden
sinyal
Bu fotonik sinyaller fiber optik kabloya yüklenir ve
alıcıya kadar bu kabloda taşınır.
Uzun iletimler için tekrarlayıcılar gerekebilir.
Bu cihazlar sinyali büyüten ve tekrarlayan
cihazlardır. Nihayet alıcıda fotonik sinyal elektronik
sinyale dönüştürülür ve dekodlama uygulanır.
Komünikasyonda optik fiberler
şifreleme
Elektrik-
optik
dönüştürme
tekrarlayıcı
Fiberoptik kablo optik-
elektrik
dönüştürme
Şifre çözücü
Gelen
sinyal Giden
sinyal
Optik komünikasyonda dijital kodlama sistemi
Yüksek güçte foton: 1 Düşük güçte foton: 0
Komünikasyonda optik fiberler
süre süre
şiddet
şiddet
Bu komünikasyon sisteminin
kalbi optik fiberdir. Işık
sinyallerini güç kaybı olmadan
ve çok az bir distorsiyonla uzun
mesafeler taşımalıdır.
Fiber çekirdek, kılıf
ve kaplamadan oluşmaktadır.
Sinyal çekirdekten geçerken, kılıf ışık
demetlerini çekirdekte kalmaya zorlar.
Dış kaplama çekirdeği ve kılıfını aşınma ve dış basınçlardan
korur.
Fiber malzemesi olarak yüksek saflıkta silika camı kullanılır.
Komünikasyonda optik fiberler
d<125 m
60 m
Optik fiberler
Işık merkezde taşınır; ve ışığın tamamen iç yansımaya
uğraması merkez ve kaplamanın kırılma endeksleri
arasındaki fark ile gerçekleştirilir.
Seçeneklerden biri “adım-endeks” tasarımıdır: kılıfın
kırılma endeksi çekirdeğinkinden biraz daha düşüktür.
Bu tasarımda esas sorun farklı ışınlar farklı kulvarları
takip eder, farklı mesafeler kat ederler.
n
Optik fiberler
değişik ışık demetleri ayni anda hareket ettikleri
halde farklı yollar izleyip farklı uzaklıklar kat
ettikleri için alıcıya farklı zamanlarda ulaşırlar.
Dolayısı ile girişteki sinyal transfer sırasında
genişler:
Bu durum dijital komünikasyonun bilgi hızını
sınırlar.
in out
signal
t t
signal
Optik fiberler
Böyle bir genişleme “kademeli endeks” tasarımı
kullanarak büyük ölçüde önlenir:
silika camına B2O3 veya GeO2 gibi katkıların kesitte
parabolik doplanması ile kırılma endeksinin kesitte
parabolik olarak değişmesi sağlanır.
Böylece, dışarda seyahat eden dalgalar daha düşük
kırılma endeksli malzemede hareket ediyor olurlar.
n
Optik fiberler
fiberoptik Böylece fiber dış kısımlarındaki ışık daha uzun fakat
daha hızlı seyahat eder.
Sonuçta, çekirdeğin dış kısımlarında seyahat eden
ışık demetleri daha düşük endeksli malzemede daha
hızlı hareket eder ve uzun mesafeye karşın hedefe
merkezdeki ile yaklaşık ayni zamanda ulaşır.
Optik Fiber Profilleri adım-endeksli Optik Fiber
dereceli-endeksli Optik Fiber
Merkezde saçılmaya yol açan her şey en aza
indirilmelidir.
Cu, Fe, V milyarda kısım seviyelerinde kontrol
edilir.
H2O ve OH miktarları da çok düşük olmalıdır.
Fiber çapındaki değişiklikler de saçılmaya neden
olur.
Bu değişkenlik 1 km fiber boyunda bugün <1µm
Farklı dalga boylarının dağılımı önlemek için ışık
kaynağı olarak lazerler kullanılır.
Optik fiberler
fiberoptik ● Işık demetini emen, saçan her türlü empürite ve hata
elimine edilmelidir. Maksimum kesintisiz fiber
uzunluğunu belirlediği için kablodaki kayıp önemlidir.
● Cu, Fe ve V özellikle zararlıdır. Miktarları milyarda
kısım seviyesinde azaltılır.
● Benzer şekilde su ve hidroksil miktarları aşırı düşüktür.
● Fiber kesit alanı homojenliği ve çekirdeğin yuvarlaklığı
kritiktir.
● Toleranslar 1 km’de mikrometre seviyesindedir.
● Ayrıca camdaki kabarcıklar ve yüzey hatalarına izin
yoktur.
● Bugün, 10 km üstünde silika camından fiberde kayıplar
25 mm; alelade pencere camındaki ile ayni!
Yüksek saflıktaki malzemelerde saçılma yine
olabilir. Önemli katkı Rayleigh saçılmasından gelir
Rayleigh saçılması cam eriyiğinde Brownian hareketi
sonucunda var olan ve katılaşma sonunda yapıda
alıkonan bölgesel küçük yoğunluk-bileşim
değişikliklerinden, buna bağlı olarak kırılma
endeksinde bölgesel küçük ve gelişigüzel
farklılıklardan kaynaklanır.
Kristal yapılarda yapısal hatalar atomların ısıl
hareketliliği de Rayleigh saçılmasına yol açar.
Rayleigh saçılması
Gökyüzünün mavi renkli olması da Rayleigh
saçılmasından ötürüdür. Bu durum Rayleigh
saçılmasının dalga boyuna bağlı olmasından
kaynaklanır.
Saçılma l-4 ile değişir
lkırmızı ~ 2lmavi olduğundan mavi ışık kırmızı
ışıktan 16 kat daha fazla saçılır.
Bu mekanizma iletişimde kullanılan optik
fiberlerde kayıpları kontrol ettiği için teknolojik
yönden çok önemlidir.
Rayleigh saçılması
Rayleigh saçılması ışık dalga boyundan çok daha küçük
bir dielektrik parça veya bölgenin polarizasyonu
sonucudur. Alan parçacığı polarize ederek dipol
titreşimlerine neden olur. Ve bir çok yönde EM dalgaları
çıkararak ışığın bir kısmı geldiği yönden dağılır.
Rayleigh saçılması
Gelen ışık dalgası Geçen ışık dalgası
saçılan ışık dalgası
Dalgaboyundan küçük dielektrik parçacık
özet Elektromanyetik radyasyon
● Katı maddelerin optik davranışları dalga boyu
spektrumunun görünür ışık aralığına (yaklaşık 0.4
m ile 0.7 m) denk gelen elektromanyetik
radyasyonla etkileşimlerine bağlıdır.
● Quantum mekaniği yönünden elektromanyetik
radyasyon sadece belli büyüklüklerde enerjiye
sahip olabilen enerji paketleri, fotonlardan oluşur.
● Foton enerjisi, Planck’s sabiti ile radyasyonun
frekansının çarpımına eşittir.
özet Katılarla ışık etkileşimleri
Işık radyasyonu bir maddeden diğerine geçerken
meydana gelebilecek etkileşimler: kırılma, yansıma,
emilme ve geçirmedir.
Işığı geçirme derecelerine göre maddeler şu şekilde
sınıflanır:
Saydam: ışık maddeden çok az emilme ve yansıma
ile geçer.
Yarı saydam: ışık maddeden geçerken bir miktar
saçılı.
Opak: ışık maddeden geçerken tamamen saçılır veya
yansıtılır.
özet Atomik ve elektronik etkileşimler
ışık ile madde arasındaki etkileşimlerden biri
elektronik polarizasyondur: Işık dalgasının elektrik
alan bileşeni bir atomun etrafındaki e- bulutunu
çekirdeğe göre bir miktar eğer.
Elektronik polarizasyonun 2 sonucu emilme ve
kırılmadır.
ışık elektronların bir enerji seviyesinden daha yüksek
bir enerji seviyesine hareketlenmesi ile emilebilir.
+ –
özet Metallerin optik özellikleri
● Metaller çok ince bir yüzey tabakasında emilme ve
ışık radyasyonunun tekrar salınması olayları
sonucunda opak görünürler.
● Emilme elektronların bulundukları enerji
seviyelerinden Fermi enerji seviyesi üstündeki boş
konumlara hareketlenmeleri ile olur.
● Salınma ise bu hareketlerin tersine gerçekleşmesi
ile olur.
● İnsan gözü tarafından algılanan metal rengi salınan
(yansıyan) ışığın spektrumu tarafından belirlenir.
özet kırılma
● ışık saydam maddelerden geçerken kırılmaya uğrar;
yani hızı yavaşlar ve bu şekilde arayüzeyde eğilir.
● kırılma olayı atom veya iyonların elektronik
polarizasyonun sonucudur.
● Atom veya iyon büyüdükçe kırılma endeksi de artar.
yansıma
● ışık saydam bir maddeden kırılma endeksi farklı
diğerine geçerken bir kısmı arayüzeyde yansıtılır.
● Yansımanın miktarı her iki maddenin kırılma
endekslerine ve ışığın geliş açısına bağlıdır.
özet emilme
● Saf metalik olmayan maddeler içsel olarak saydam
veya opaktır.
● Opaklık dar enerji bant aralığı olan maddelerde
görülür (Eg 1.8 eV).
● Bu maddelerde foton enerjisi valens bandından
iletim bandına elektron geçişleri meydana getirmek
için yeterli olduğundan ışık kolayca emilir.
● Saydam malzemelerde enerji bant aralığı > 3.1 eV
● Enerji bant aralığı 1.8-3.1 eV arasında olan metalik
olmayan maddelerde görünür spektrumun sadece
bir kısmı emilir ve bu maddeler renkli görünürler.
özet Emilme
● Saydam maddelerde de elektronik polarizasyon
sonucunda bir miktar ışık emilmesi olur.
● Empürite içeren geniş enerji bant aralıklı
yalıtkanlarda, uyarılmış elektronların bant
aralığındaki enerji konumlarına düşerek, enerji
bant enerjisinden daha düşük enerjili fotonlar
üretmesi mümkündür.
özet renk
● Saydam maddeler elektron geçişleri sonucunda
tercihli olarak emilen belirli dalga boylarındaki
ışık yüzünden renkli görünürler.
● İnsan gözü tarafından algılanan renk geçen ışıktaki
dalga boylarına bağlıdır.
özet Yalıtkanlarda Opaklık ve yarı saydamlık
Gelen ışık iç yansıma ve/veya kırılma tecrübe
ederse, normal şartlarda saydam olan maddeler yarı
saydam ve hatta opak hale getirilebilirler.
İç yansıma sonucu yarı saydamlık veya opaklık şu
durumlarda ortaya çıkar:
Anizotropik kırılma endeksine sahip çok
kristalli malzemelerde,
Çift fazlı malzemelerde,
Küçük gözenek içeren malzemelerde,
Büyük ölçüde kristal yapılı polimerlerde.
özet Lüminesans
Lüminesans olayında enerji elektron hareketlenmeleri-geçişleri
sonucunda madde içinde emilir ve daha sonra görünür ışınım
şeklinde geri verilir.
Işık 1 saniyeden daha kısa sürede geri verilirse, bu olaya floresans
denir.
Işığın geri verilmesi daha uzun sürdüğünde bu olay fosforesans
adını alır.
elektrolüminesans
düz alan diyotlarında elektron boşluk birleşmeleri sonucunda açığa
çıkan enerjinin ışıma şeklinde verilmesidir.
Bunun gerçekleştiği cihazlara ışık salan diyot (LED) denir.
fotoiletkenlik
Bazı yarı iletkenlerde serbest elektronlar ve boşlukların meydana
geldiği elektron geçiş hareketleri ile iletkenliğin artmasına
fotoiletkenlik denir.
özet Lazerler
uyarılmış elektron geçişleri ile koheran ve yüksek şiddette ışık
demetleri üretilir.
rubi lazerinde elektronlar yarı kararlı uyarılmış konumlardan ilk Cr3
konumlarına dönerken ışıma elde edilir.
yarı iletkenlerle lazer ışınımı iletim bandındaki elektronlarla valens
bandındaki boşlukların birleşmesi sonucunda elde edilir.
Komünikasyonda optik fiberler
fiber optik teknolojisi sayesinde modern komünikasyon
sistemlerinde bilginin etkileşimsiz hızlı ve yoğun şekilde transferi
mümkün olmaktadır.
optik fiberler şu bileşenlerden oluşur:
İçinden ışık atımlarının geçtiği bir çekirdek ve
Tam iç yansıma ile ışığı çekirdek içinde tutan kaplama
Çekirdek ve yansıma kaplamasını zarardan koruyan dış kaplama
Yüksek dirençli (yalıtkanlar) malzemeler: saydam
Yüksek iletkenlikteki (metalik) malzemeler:
parlak ve opak
Yarı-iletkenler: opak veya saydam
Bu özellikleri ve renkleri malzemenin bant
aralığının büyüklüğüne bağlıdır.
• Yarı-iletkenler için enerji bant diyagramı
malzemenin görünüşünü hem parlaklık hem de
renk yönünden açıklayabilir
Metallerin, yarı-iletkenlerin ve yalıtkanların görünüşü ve renkleri
